Los investigadores de la Universidad Case Western Reserve han ganado una subvención de 1,2 millones de dólares para desarrollar tecnología para la producción masiva de dispositivos electrónicos flexibles a un nivel completamente nuevo de pequeño.

Mientras están ideando nuevas herramientas y técnicas para hacer cables más estrechos que una partícula de humo, también están creando formas de construirlos con materiales flexibles y empaquetar los componentes electrónicos en capas impermeabilizantes de plásticos duraderos.

El equipo de ingenieros, que se especializan en diferentes campos, en última instancia, tiene como objetivo construir dispositivos electrónicos flexibles que se adapten a las realidades de la vida:sensores de control de la salud que se pueden usar sobre o debajo de la piel y dispositivos electrónicos plegables tan delgados como una hoja de plástico. Y, más abajo en el camino, Electrodos estimulantes de nervios implantables que permiten a los pacientes recuperar el control de la parálisis o dominar una prótesis.

Pensando en grande el equipo cree que la tecnología podría usarse para producir rollos de paneles solares de película delgada que resisten décadas en los elementos. Los paneles de película delgada actuales están plagados de períodos de vida cortos debido a la filtración entre capas.

"El desarrollo comercial de sistemas nanoelectromecánicos está limitado por el acceso a bajo costo, alto rendimiento - lo llamamos 'rendimiento' - herramientas de procesamiento, "dijo Christian Zorman, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática e investigador principal de la subvención. "Estamos tratando de abordar ese cuello de botella".

Con esta subvención del Programa de nanofabricación escalable de la National Science Foundation de cuatro años, Zorman y sus colegas impulsarán tecnologías alternativas que han creado para fabricar cables y otras estructuras metálicas de menos de 100 nanómetros, que es aproximadamente 1/10 del diámetro de una partícula de humo.

En la actualidad, dispositivos que combinan funciones electrónicas y mecánicas se están fabricando así de pequeños mediante litografía por haz de electrones. Pero los haces de electrones son demasiado energéticos para usarlos en plásticos flexibles y requieren un vacío muy alto, lo que limita significativamente el rendimiento, , es costoso y requiere mucho tiempo, todos ellos impedimentos para la producción en masa.

El uso de impresoras de inyección de tinta para construir dispositivos pequeños ha demostrado ser económico y efectivo. pero llegar a los nanómetros ha sido difícil.

Philip Feng, un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, se especializa en nanofabricación y dispositivos. Joao Maia, profesor asociado de ciencia e ingeniería macromolecular, es un experto en la fabricación de polímeros nanocapa.

R. Mohan Sankaran, un profesor asociado de ingeniería química, desarrolló la tecnología para utilizar microplasmas como herramienta de fabricación. Zorman pasó las últimas dos décadas desarrollando técnicas utilizadas para construir dispositivos microelectromecánicos para entornos hostiles y aplicaciones biomédicas.

Cuando Feng y Zorman vieron el trabajo de Sankaran "nos dimos cuenta de que esto podría revolucionar la fabricación a nanoescala, "Dijo Zorman.

Un plasma es un estado de la materia similar a un gas, pero una parte está ionizada, es decir, las partículas están ganando o perdiendo electrones y se están cargando. Una chispa es un ejemplo de plasma, pero hace calor e incontrolable.

Sankaran produce un microplasma controlable ionizando gas argón a medida que se bombea fuera de un tubo de un cabello de ancho. "El plasma es como un lápiz, "Sankaran dijo, "Puede usarlo para dibujar una línea o cualquier patrón que desee".

Para bajar a nanómetros, Feng debe hacer plantillas de cables de tamaño nanométrico, circuitos y otras formas deseadas. Utilizará un material de carburo de silicio duradero que ha desarrollado Zorman.

"Para llegar a 100 nanómetros o menos, "Feng dijo, "debemos estudiar las leyes de la escala, los materiales utilizados, y reacciones que puede inducir un microplasma, como las reacciones en la superficie de un polímero y dentro del polímero, y comparar este proceso en paralelo con la litografía por haz de electrones ".

A medida que se reducen, Maia se centrará en sellar los componentes electrónicos de la humedad.

"Mucha gente está trabajando en electrónica flexible, pero el problema es que la vida útil del producto es corta porque entra humedad y disminuye la resistividad, cortocircuita o corroe los componentes electrónicos, "Dijo Maia." Si tienes que cambiar tu dispositivo flexible cada dos semanas o dos meses, eso no es tan bueno ".

Maia fabricará láminas de polímeros que incluyen una nanocapa incrustada con sales metálicas, como el nitruro de plata o el cloruro de oro. Estos son los precursores de los cables y las estructuras metálicas necesarias para fabricar la electrónica.

La hoja pasará por una línea de producción y se detendrá debajo de las plantillas. Se disparará un conjunto de microplasmas sobre las plantillas.

En pruebas preliminares sobre una película fija, los electrones del microplasma viajan a través de la plantilla y hacia el polímero, donde convierten las sales metálicas en cadenas conductoras de partículas metálicas que forman alambres y estructuras. como pintura en aerosol y una plantilla forma letras y números.

Luego, la hoja se puede sumergir en una solución para disolver las sales metálicas no expuestas, para ser reciclado.

Se agregarán más capas o combinaciones de capas para hacer la hoja hermética.

Si se necesitan varios dispositivos o capas de embalaje, las hojas se pueden enrollar hacia atrás durante el proceso.

Originalmente, Maia y Zorman habían dirigido dos equipos que planeaban perseguir esta subvención de NSF, pero su trabajo encaja tan bien, decidieron trabajar juntos. El personal y el cuerpo docente del Instituto de Materiales Avanzados de la Escuela de Ingeniería Case ayudaron a vincular al equipo.

"Esta es una propuesta verdaderamente multidisciplinar, "Dijo Zorman." La fabricación avanzada tiene que ser ".

La subvención llega solo seis semanas después de que Case Western Reserve, La Universidad Carnegie Mellon y el Centro Nacional de Fabricación de Defensa dirigieron cinco docenas de organizaciones en Ohio, Pensilvania y Virginia Occidental al ganar una subvención federal de fabricación de $ 30 millones. El recién formado Instituto Nacional de Innovación en Fabricación Aditiva, cuyos miembros han agregado otros $ 40 millones en fondos, es el esfuerzo piloto de una ambiciosa iniciativa para transformar la fabricación en todo el país.